吳東星, 李國棟,2**, 張 茜

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華北平原典型冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡與閉合研究*

吳東星1, 李國棟1,2**, 張 茜1

(1. 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院 開封 475004; 2. 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點實驗室 開封 475004)

準(zhǔn)確量化分析地氣之間的物質(zhì)和能量交換對于水資源管理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是十分重要的。能量平衡閉合是評估觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和分析地表能量平衡的一個重要的評價指數(shù)。本研究利用開路渦度相關(guān)系統(tǒng)和全要素自動氣象站對華北平原典型冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)2013—2014年度的能量通量及常規(guī)氣象要素進(jìn)行了連續(xù)觀測, 分析了冬小麥農(nóng)田各能量通量的日變化和年變化特征, 計算冬小麥在4個生育時期(出苗期、越冬期、拔節(jié)期和灌漿期)的能量閉合和波文比。結(jié)果表明: 在日尺度上, 選取的4個生育時期凈輻射和各能量分量的日變化趨勢均為單峰二次曲線, 凈輻射、顯熱通量和潛熱通量的峰值出現(xiàn)在12:00—13:00, 土壤熱通量的峰值出現(xiàn)在14:00—15:00。在年尺度上, 凈輻射和潛熱通量的變化趨勢較為一致, 均在越冬期達(dá)到最低值114.51 W·m-2和13.47 W·m-2, 而在灌漿期達(dá)到最大值327.02 W·m-2和116.56 W·m-2。選取的4個生育時期的代表性觀測日期能量閉合良好, 能量閉合率分別為0.49、0.77、0.81和0.76。4個生育時期內(nèi)波文比值日變化趨勢均呈倒“U”型, 出苗期波文比在14:00達(dá)到最大值2.12; 越冬期、拔節(jié)期和灌漿期在10:00左右達(dá)到最大值, 分別為1.48、0.31和0.58。本文的定量化結(jié)果可為華北平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱通量等研究提供依據(jù)。

冬小麥; 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng); 能量平衡特征; 渦度相關(guān)系統(tǒng); 能量閉合率; 華北平原

地-氣之間進(jìn)行的物理、化學(xué)和生物過程及相互作用對全球氣候變化、生物多樣性和環(huán)境變化有重要影響[1]。地表能量通量直接影響生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)溫度、水分傳輸、植被發(fā)育和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[2], 也是生態(tài)水文模型的重要輸入?yún)?shù)[3-4]。渦度相關(guān)技術(shù)是直接觀測下墊面與大氣之間水熱通量和CO2通量的微氣象技術(shù), 具有理論論證完善、觀測精度高和連續(xù)穩(wěn)定等優(yōu)點[5], 已逐漸成為地-氣間能量和物質(zhì)通量觀測的標(biāo)準(zhǔn)方法[6], 被應(yīng)用在各種生態(tài)系統(tǒng)中做了大量研究[7-9], 在陸地生態(tài)系統(tǒng)水、碳循環(huán)的關(guān)鍵過程及其對各種因素的響應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)能量與通量的模型模擬等方面取得了較大進(jìn)展[10-12]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人類社會存在和發(fā)展的基礎(chǔ), 對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究有助于科學(xué)認(rèn)識農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的功能, 合理開發(fā)利用農(nóng)業(yè)資源, 有效管理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 且農(nóng)業(yè)活動已成為影響全球變暖和全球水熱循環(huán)的關(guān)鍵因素, 因此需要得到國際上的廣泛關(guān)注[13]。目前關(guān)于農(nóng)田與大氣之間物質(zhì)和能量的研究集中在水熱交換機(jī)制[14-15]、作物和土壤的碳儲量的變化[16-17]、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通量貢獻(xiàn)區(qū)分析[18]和影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱過程交換的因素[19]。以農(nóng)田下墊面為主的KUREX-91通量試驗中, 能量平衡閉合率為0.67[20-21]; 王介民等[22]對阿柔凍融觀測站進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn), 土壤淺層熱儲量的存在是能量不閉合的主要原因; 徐自為等[23]通過多種方法測算土壤熱通量并分析其對能量閉合的影響。Wilson等[24]和李正泉等[25]分別對FLUXNET和ChinaFLUX能量平衡日變化情況進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)夜間的不閉合程度比白天更加明顯。目前, 能量平衡閉合的研究更多地突出能量各分量的誤差計算, 而在不同的時間尺度上能量平衡的特征分析相對較少。通過對冬小麥農(nóng)田不同時間尺度上的能量平衡分析, 有利于增強(qiáng)對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量平衡機(jī)理及轉(zhuǎn)化規(guī)律的全面認(rèn)識。

本研究對2013年10月—2014年6月華北平原典型冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的能量通量進(jìn)行觀測分析, 并結(jié)合當(dāng)年氣象站觀測資料, 研究了冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各生育時期能量平衡特點, 闡明冬小麥各生育時期能量通量的變化特征, 計算了各生育時期能量閉合率以及波文比, 從站點尺度論述冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量分配特點。本研究觀測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果可為華北平原典型冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和水分利用效率等相關(guān)研究提供科學(xué)依據(jù), 也為該地區(qū)水、熱和CO2通量的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和方法。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

華北平原冬小麥的種植歷史悠久, 且種植區(qū)域連續(xù)、種植面積較大。本試驗在中國科學(xué)院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站(簡稱中科院封丘實驗站)進(jìn)行。該站是國家和中國科學(xué)院部署在華北平原從事農(nóng)業(yè)、資源、生態(tài)和環(huán)境研究的一個最主要的野外試驗基地, 為中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)重點站、國家重點野外科學(xué)觀測實驗站。封丘縣屬于半干旱、半濕潤的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 年平均氣溫14.2 ℃, 年均降水量為605 mm, 年蒸發(fā)量為1 875 mm, 無霜期為214 d, 光熱資源豐富。封丘縣整體地勢平坦, 海拔高度67 m, 東、南面相鄰黃河, 水資源較為充足。南部受黃河側(cè)滲影響形成背河洼地, 北部與華北平原腹地相連。土壤主要為黃河沉積物發(fā)育的黃潮土, 主要植被為次生的喬灌草植物, 主要種植制度為小麥-玉米一年兩熟制[26]。旱澇、鹽堿和風(fēng)沙是影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的主要因素, 本研究自2013年10月23日冬小麥播種開始觀測, 到2014年6月5日收獲時結(jié)束, 進(jìn)行為期9個月的連續(xù)田間試驗觀測。

1.2 觀測試驗與研究方法

1.2.1 渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測試驗

中科院封丘實驗站試驗田為典型的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 下墊面為地勢平坦的大片農(nóng)田, 田間土質(zhì)均勻, 種植結(jié)構(gòu)單一, 符合試驗對盛行風(fēng)向的風(fēng)浪區(qū)長度的要求。開路式渦度系統(tǒng)由WindMaster Pro型三維超聲風(fēng)速儀(英國Gill公司, 風(fēng)速范圍0~0.65 m·s-1, 風(fēng)速精度<1.5% RMS @ 12 m·s-1, 分辨率0.01 m·s-1)和LI-7500A 型CO2/H2O快速響應(yīng)紅外氣體分析儀(美國LI-COR公司, CO2校準(zhǔn)范圍 0~3 000 μmol·mol-1, H2O校準(zhǔn)范圍0~60 mmol·mol-1)組成, 可自動測量并存儲地表與大氣相互作用時近地氣層的瞬時三維風(fēng)速脈動、溫度脈動、H2O脈動和CO2脈動, 并計算出地氣之間的顯熱通量()和潛熱通量(LE)。原始數(shù)據(jù)的采樣頻率為10 Hz, 每30 min輸出一組平均值。渦度相關(guān)系統(tǒng)的架設(shè)高度為4.45 m。

1.2.2 全要素常規(guī)氣象觀測試驗

中科院封丘實驗站內(nèi)的全要素氣象觀測系統(tǒng)對田間環(huán)境要素進(jìn)行長期觀測。全要素氣象觀測系統(tǒng)包括: DYNAMET型空氣溫度/相對濕度傳感器(距地面100 cm和300 cm兩層); DYNAMET型風(fēng)速/風(fēng)向傳感器; DYNAMET型降雨量傳感器; DYNAMET型太陽總輻射傳感器; NR01-05型四分量凈輻射儀; TM-L20土壤溫度傳感器(測定深度: 10 cm、20 cm、30 cm); EC-5型土壤水分傳感器(測定深度: 10 cm、20 cm、30 cm); HFP01-10型土壤熱通量傳感器, 安裝在觀測塔的東、西、北面。上述傳感器均與CR1000型數(shù)據(jù)采集器(美國Campbell公司)相連, 每30 min輸出一組數(shù)據(jù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于受到不利天氣因素、人為因素和機(jī)器故障等影響, 采集的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一定的異常值。因此, 需要對渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析和修正, 處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的分析研究。數(shù)據(jù)處理過程包括: 野點去除、二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)修正、密度校正(WPL)和超聲虛溫修正等。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制, 剔除異常數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為: 1)某一觀測數(shù)據(jù)明顯大于相鄰數(shù)據(jù)平均值的5倍。2)出現(xiàn)降雨時的數(shù)據(jù)。3)夜間湍流不明顯, 此時摩擦風(fēng)速*較小, 剔除摩擦風(fēng)速*<0.15 m·s-1的值。對缺失和剔除的通量值進(jìn)行插補時, 出現(xiàn)短時連續(xù)缺失(缺失1 d以內(nèi))的數(shù)據(jù)采用線性插補法, 或用相鄰日期類似天氣狀況的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補。而對于持續(xù)出現(xiàn)惡劣天氣或儀器設(shè)備故障時(超過1 d)的數(shù)據(jù), 則根據(jù)平均日變化法進(jìn)行插補[27-28]。

1.2.4 能量閉合狀況的評價方法

根據(jù)熱力學(xué)第一定律, 地表能量平衡方程可表述為:

式中: LE為潛熱通量;為顯熱通量;n為凈輻射;為土壤熱通量;為冠層熱儲能, 植被儲熱通量一般不超過凈輻射的5%;為其他來源的能量總和, 對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在觀測精度允許的范圍內(nèi)可直接忽略。因而式(1)可改寫為:

(2)

式(2)的左端為標(biāo)準(zhǔn)湍流通量, 右端則為可利用能量。在一定觀測時間內(nèi), 將湍流通量與有效能量相除可求出能量閉合率(EBR), 能量平衡比率為目前研究最常采用的分析能量閉合度的方法, 即:

在理想狀態(tài)下忽略冠層熱儲能, 可利用能量與標(biāo)準(zhǔn)湍流通量較為接近, EBR的數(shù)值越大說明渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測的湍流通量數(shù)值精確。造成渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)不閉合的原因有很多, 如測量空間尺度不匹配、極端天氣的影響和儀器系統(tǒng)誤差等[21]。

1.2.5 波文比-能量平衡法

波文比-能量平衡法(BREB)表示為某一界面上顯熱通量和潛熱通量的比值(), 用公式表示為:

式中:h和w分別表示熱量和水汽的湍流交換系數(shù), Δ和Δ分別表示兩個觀測高度的位溫和濕度差, Δ表示為觀測高度差,α為空氣密度(kg·m-3),p為空氣比熱(1.004 kJ·kg-1·K-1),為汽化潛熱(2 505.4 kJ·kg-1)。由莫寧-奧布霍夫相似理論, 熱量和水汽的湍流交換系數(shù)相等(h=w)可得:

(5)

波文比法的計算精度主要取決于值。而在日出和日落,n-接近于0的時間段, 或者出現(xiàn)降水時, 溫度梯度和水汽壓梯度方向相反,值接近于-1, 此時數(shù)據(jù)誤差較大[29]?；赑erez等[30]的研究方法, 綜合考慮波文比儀器測量精度和測點水汽壓梯度差等因素, 波文比異常值的確定范圍如下:

式中: Δ為兩個不同觀測高度上的水汽壓差(hPa)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量通量動態(tài)

2.1.1 能量通量日變化特征

在太陽輻射能量的驅(qū)動下, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行能量流動、物質(zhì)合成轉(zhuǎn)移和碳水循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)過程。而由于各生態(tài)系統(tǒng)下墊面類型的不同和群落結(jié)構(gòu)異質(zhì)性, 導(dǎo)致作物蒸發(fā)散和熱傳導(dǎo)能力的差異。因此, 在凈輻射進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后, 各能量通量在系統(tǒng)內(nèi)的分配變化各有差異[31]。在冬小麥4個生育時期內(nèi)(出苗期、越冬期、拔節(jié)期和灌漿期)選取晴朗的日子作為代表性時間段, 通過對通量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析, 研究該生育時期能量通量變化趨勢。

由圖1可看出, 4個生育時期典型日期的通量日變化趨勢均呈單峰二次曲線, 能量分量均以凈輻射能量為基礎(chǔ), 而凈輻射與日照時數(shù)和日照強(qiáng)度有相關(guān)關(guān)系。出苗期凈輻射從8:00開始變?yōu)檎? 12:00達(dá)到最大值330.92 W·m-2, 16:30以后變?yōu)樨?fù)值。越冬期凈輻射從9:00開始變?yōu)檎? 12:30達(dá)到最大值259.32 W·m-2, 16:30以后變?yōu)樨?fù)值。拔節(jié)期從7:30凈輻射為正值開始, 到12:30達(dá)到最大值559.26 W·m-2, 18:00以后變?yōu)樨?fù)值。灌漿期5:30凈輻射為正值, 此時太陽接近北回歸線, 日出時間為4個生育期內(nèi)最早的, 13:00達(dá)到最大值702.22 W·m-2。因此可以看出, 4個生育期內(nèi)凈輻射最大值出現(xiàn)在灌漿期, 最小值在越冬期, 且出現(xiàn)時間一般在12:00—13:00。

潛熱通量(LE)的日變化趨勢和凈輻射n基本一致, 呈單峰二次曲線。顯熱通量()的變化趨勢和LE剛好相反, 隨著冬小麥的生長發(fā)育, 冠層覆蓋度也隨之增大, LE增大, 而變小。由圖1可以看出, 出苗期10:00之前, LE大于而在10:00之后和16:00之前, LE小于。分析認(rèn)為冬小麥出苗期冠層覆蓋度較小, 作物蒸騰作用較弱, 白天冬小麥吸收凈輻射能量主要用來地-氣間熱交換。越冬期和出苗期結(jié)果相似, 在10:00以后大于LE而在13:00—14:00期間出現(xiàn)過短暫的LE大于的現(xiàn)象, 分析認(rèn)為可能是灌溉導(dǎo)致LE增加。拔節(jié)期和灌漿期白天LE顯著大于, 隨著冬小麥旺盛生長, 冠層覆蓋度隨之達(dá)到最大, 作物蒸騰和土壤蒸發(fā)作用達(dá)到最強(qiáng)。灌漿期LE在11:30達(dá)到最大值404.27 W·m-2, 而最大值185.37 W·m-2出現(xiàn)在14:00。

土壤熱通量()定義為土壤中溫度分布不均勻所引起的熱量傳輸, 其與能量平衡方程(2)中的其他能量分量相比較小, 且在較長的時間段內(nèi)收支基本平衡[32]。從圖1可看出, 冬小麥4個生育期內(nèi)夜間均為負(fù)值, 此時熱量從土壤深層向地表傳輸。白天為正值, 熱量從地表面向土壤深層傳輸。的變化幅度由大到小為: 拔節(jié)期>灌漿期>出苗期>越冬期。的最大值一般出現(xiàn)在14:00—15:00, 相比于凈輻射其到達(dá)峰值的時間要滯后1~2 h, 且拔節(jié)期和灌漿期非常明顯, 分析原因為土壤比熱容不同于空氣, 吸收凈輻射能后在土壤間傳輸需要一定時間。在拔節(jié)期達(dá)到整個生育期內(nèi)的最大值, 為53.20 W·m-2。

2.1.2 能量通量年變化特征

圖2為2013—2014年度冬小麥整個生育時期凈輻射和各能量分量的年變化趨勢?？梢钥闯? 冬小麥6月份收割之前, 凈輻射(n)和潛熱通量(LE)的變化趨勢較為一致, 且兩者的觀測值相差不大, 都是越冬期達(dá)到最低值。n年最低平均值為114.51 W·m-2, LE的年最低平均值為13.47 W·m-2, 而此時的顯熱通量()觀測值較大。進(jìn)入越冬期后,最大值為33.61 W·m-2, 土壤熱通量()為13.05 W·m-2,和在有效能量中的占比分別為26.59%和10.32%。分析原因為: 冬季太陽輻射較弱, 冬小麥植被覆蓋度較低, 農(nóng)田有較大面積裸露的土壤, 且有時下墊面會有積雪覆蓋, 這樣造成地面反射率比其他生育期大, 有效能量較大部分用來加熱大氣和植被。因此,n和LE偏小,偏大。和月平均值表現(xiàn)為越冬期正值時間最短, 灌漿期和成熟期最長; LE在整個生育期內(nèi)全天基本為正值。

: 顯熱通量; LE: 潛熱通量;: 土壤熱通量;n: 凈輻射。: sensible heat flux; LE: latent heat flux;: soil heat flux;n: net radiation.

冬小麥在越冬期之后,n和LE觀測值開始增大, 因為隨太陽入射角增大, 白晝變長且氣溫增高, 冬小麥開始快速生長, 冠層覆蓋度增大, 植被蒸騰和土壤蒸發(fā)作用變得強(qiáng)烈。冬小麥在越冬期后進(jìn)入返青拔節(jié)期后,和LE整體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, LE觀測值在5月份達(dá)到最大值116.56 W·m-2,n為327.02 W·m-2, LE占有效能量為35.64%;和在有效能量中的占比小, 分別為20.01%和7.87%。

6月份以后, 冬小麥成熟并收割,n與5月份相比下降, 為317.79 W·m-2, 其原因可能是6月份降雨量較大, 陰雨天氣導(dǎo)致n月平均值降低。LE在6月份呈下降趨勢, 為49.11 W·m-2, 分析其原因為冬小麥?zhǔn)崭钪? 植被冠層覆蓋度急劇降低, 植被蒸騰作用下降, LE主要為土壤水分蒸發(fā)耗熱值。在6月增長迅速, 達(dá)到整個生育期最大值128.12 W·m-2,為34.05 W·m-2。冬小麥?zhǔn)崭钪? 地表大部分為裸露的土壤, 有效能量大部分用來加熱大氣和土壤。

2.2 冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的能量閉合分析

判別渦度相關(guān)觀測數(shù)據(jù)可靠性的主要方法是能量平衡法, 即計算系統(tǒng)的能量平衡比率。本文在不考慮晝夜能量平衡差異的情況下, 將冬小麥出苗期、越冬期、拔節(jié)期和灌漿期觀測日期內(nèi)顯熱通量與潛熱通量之和(LE)與可利用能量(n)進(jìn)行閉合。由圖3可看出, 4個生育時期的回歸直線斜率分別為0.49、0.77、0.81和0.76, 相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.92、0.96和0.97。這表明冬小麥4個生育時期內(nèi)能量閉合情況良好, 優(yōu)于國內(nèi)其他學(xué)者的冬小麥研究結(jié)果[33-35], 以及王春林等[36]、岳平等[37]、婁善偉等[38]在不同下墊面的研究結(jié)果, 這說明華北平原冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測通量數(shù)據(jù)是可靠的。

: 顯熱通量; LE: 潛熱通量;: 土壤熱通量;n: 凈輻射。: sensible heat flux; LE: latent heat flux;: soil heat flux;n: net radiation.

2.3 冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的波文比分析

由圖4可以看出, 冬小麥的出苗期、越冬期、拔節(jié)期和灌漿期典型日期的波文比變化趨勢均呈倒“U”型。白天波文比值相對穩(wěn)定, 變化趨勢不大。主要原因為白天無風(fēng)或微風(fēng)條件下, 溫度和濕度梯度不受水平氣流的影響, 大氣處于正溫、正濕的狀態(tài), 這時波文比的計算值較為精確。在夜晚大氣層結(jié)穩(wěn)定條件下, 波文比為負(fù)值, 且變化幅度較大, 異常值較多。4個生育時期內(nèi)典型日期的波文比日變化趨勢均在凌晨或傍晚波動較大, 此時潛熱通量(LE)和顯熱通量()異常波動, 有效能量計算的誤差會引起通量計算較大誤差, 這與劉樹華等[39]和王旭等[40]的研究結(jié)果一致。

波文比受日出日落時間、凈輻射(n)能量和極端天氣(降雨和大風(fēng))等的影響。出苗期(圖4a)波文比從9:00開始變?yōu)檎? 表示方向為由大氣向下墊面?zhèn)鬏? 14:00達(dá)到最大值2.12, 此時占n的比例最大; 19:00以后波文比為負(fù)值, 表示方向為由下墊面向大氣傳輸。越冬期(圖4b)波文比在10:00變?yōu)檎? 分析原因為越冬期日出時間較晚,n能量較小; 11:00達(dá)到最大值1.48; 17:00后波文比變?yōu)樨?fù)值。這與越冬期日變化趨勢一致。拔節(jié)期(圖4c)9:00波文比開始變?yōu)檎? 11:00達(dá)到最大值0.31, 分析原因為隨著冬小麥的生長發(fā)育, 其植被覆蓋度顯著增大, LE占n比例較大,日均值小于潛熱通量LE, 這與拔節(jié)期各能量分量的日變化趨勢一致。灌漿期(圖4d)7:00波文比變?yōu)檎? 此時日出時間較早,n能量達(dá)到一年中最大值; 波文比在9:00達(dá)到最大值0.58, 此時占n的比例為一天中最大值, 這與灌漿期的變化趨勢一致。

3 討論與結(jié)論

長久以來, 能量不閉合現(xiàn)象普遍存在于各種生態(tài)系統(tǒng)通量觀測中, 平均不閉合率為20%[24-25,41]。渦度相關(guān)法觀測的基本假設(shè)是下墊面均一, 氣流水平均勻的近地面層。劉渡等[35]的研究表明, 華北平原冬小麥/夏玉米輪作田的能量閉合率存在明顯的季節(jié)特征。在本試驗中, 冬小麥出苗期、越冬期、拔節(jié)期和灌漿期的能量閉合度分別為0.48、0.73、0.83和0.76, 出苗期能量閉合度較小, 拔節(jié)期能量閉合率相對較大。這與Wilson等[24]認(rèn)為生長季能量閉合狀況優(yōu)于非生長季的研究相一致。在冬小麥整個生育時期尺度上, 拔節(jié)期能量閉合率0.83為最高, 這與田紅等[42]對麥稻輪作田和童應(yīng)祥等[43]對冬小麥的研究結(jié)果相類似。從冬小麥出苗期到拔節(jié)期, 能量閉合率不斷升高, 這與李正泉等[25]對ChinaFLUX各站點的能量閉合程度研究相一致, 即夏季能量閉合程度較好, 從冬季到夏季不斷提高。本試驗中冬小麥能量閉合度最大值為0.83, 和李祎君等[32]在錦州玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 郭建俠等[44]在華北平原玉米生態(tài)系統(tǒng)以及Twine等[41]和Wilson等[24]的研究結(jié)果一致。

根據(jù)已有的研究[40], 并結(jié)合觀測站點的實際情況, 能量不閉合的原因可以總結(jié)為如下幾個方面: 1)渦度儀器的系統(tǒng)偏差: 儀器的不準(zhǔn)確標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理的不正確以及極端天氣對儀器的觀測影響都會影響能量閉合度。因此對渦度儀器的定時標(biāo)定, 及時處理機(jī)械故障才能減少系統(tǒng)誤差。2)觀測源區(qū)尺度不匹配: 由于渦度相關(guān)觀測的通量源區(qū)與凈輻射儀、土壤熱通量板的觀測源區(qū)尺度不一致, 導(dǎo)致湍流通量與有效能量之比降低, 影響渦度相關(guān)觀測的能量閉合率。3)其他能量余項的忽略: 在生態(tài)系統(tǒng)能量收支中, 冠層熱儲量和其他來源能量被忽略, 這是能量不閉合的一個重要原因。而在田紅等[42]的研究中, 裸地的能量閉合率(EBR)比麥地、稻田的高, 說明即使作物冠層高度在1 m以內(nèi), 仍有少許冠層熱儲量。4)未考慮土壤表層熱儲量: 本文研究中, 土壤熱通量的計算并未考慮土壤表層的熱儲量值。

在許多復(fù)雜的條件下, 如異質(zhì)性下墊面和穩(wěn)定大氣層結(jié)等, 能量閉合率通常較低。而近年來通量“面積平均”概念和簡化處理方法的提出, 對能量平衡和閉合研究具有較大的指導(dǎo)意義。大渦模擬(LES)在具體應(yīng)用到邊界層大氣湍流研究時, 仍有較多的限制[22]。在今后的研究中, 通過開發(fā)新的觀測數(shù)據(jù)處理方法, 從而得到通量的面積平均或更有空間代表性的結(jié)果, 將會是解決渦度相關(guān)觀測能量平衡閉合問題的有效途徑。

本研究基于2013—2014年度的渦度相關(guān)系統(tǒng)和全要素自動氣象站數(shù)據(jù), 分析華北平原典型冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱通量的日變化和年變化特征, 并分析了冬小麥4個生育時期代表性日期的能量閉合, 計算了冬小麥4個代表性日期的波文比值。結(jié)果表明: 1)日變化尺度上, 不同生育時期內(nèi)凈輻射和各能量分量的日變化均為單峰二次曲線, 且與日照時數(shù)和日照強(qiáng)度有相關(guān)關(guān)系。凈輻射、顯熱通量和潛熱通量的峰值出現(xiàn)在12:00—13:00; 土壤熱通量的峰值出現(xiàn)在14:00—15:00, 相比于凈輻射其到達(dá)峰值的時間要滯后1~2 h。2)年變化尺度上, 凈輻射和潛熱通量在越冬期達(dá)到最低值, 分別為114.51 W·m-2和13.47 W·m-2, 而顯熱通量達(dá)到最大值33.61 W·m-2, 土壤熱通量為13.05 W·m-2。凈輻射和潛熱通量在拔節(jié)期達(dá)到最大值, 分別為327.02 W·m-2和116.56 W·m-2。凈輻射和潛熱通量的變化趨勢較為一致, 顯熱通量和土壤熱通量變化趨勢一致。3)冬小麥出苗期能量閉合率較低, 越冬期、拔節(jié)期和灌漿期能量閉合率較好, 平均能量閉合率為0.7, 與國內(nèi)外其他學(xué)者的研究結(jié)果一致。越冬期波文比在14:00達(dá)到最大值2.12, 越冬期、拔節(jié)期和灌漿期在10:00左右達(dá)到最大值。本文的定量化結(jié)果, 可以為研究華北平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱通量等研究提供依據(jù)。

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Energy balance and closure of typical winter wheat farmland ecosystem in the North China Plain*

WU Dongxing1, LI Guodong1,2**, ZHANG Xi1

(1. College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475004, China; 2. Laboratory of Geospatial Technology for the Middle and Lower Yellow River Regions, Kaifeng 475004, China)

The accurate quantification of energy and mass exchange between terrestrial ecosystem and the atmosphere is important for water resources management and sustainable agricultural development. Energy balance closure is also a vital index for assessing the accuracy of measurements data and analyzing surface energy balance. In order to evaluate energy balance and energy closure in farmland ecosystems, the open eddy covariance system and total factor automatic weather station were used to observe continuous surface energy flux and conventional meteorological elements of typical winter wheat in farmland ecosystems in the North China Plain for the period 2013–2014. In the study, four typical growth stages (seeding, overwintering, jointing and grain-filling stages) were investigated for diurnal and annual variations in energy flux of winter wheat. Also the diurnal variations in Bowen ratio for four typical growth stages were calculated. The results showed that the trends in diurnal variations in net radiation and energy component of the four growing stages of winter wheat were unimodal in shape. The peak values of net radiation, sensible heat flux and latent heat flux were observed between 12:00 and 13:00. The maximum value of sensible heat flux was at 11:30 and the peak value of soil heat flux occurred between 14:00 and 15:00; which was about 1.00 hour later than sensible heat flux and latent heat flux. For annual variation, the trends in net radiation and latent heat flux were strongly consistent. The minimum values of net radiation and latent heat flux at overwintering stage were 114.51 W·m-2and 13.47 W·m-2, respectively. However, sensible heat flux at overwintering stage was relatively higher than latent heat flux. Sensible heat flux and soil heat flux were respectively 33.61 W·m-2and 13.05 W·m-2. The maximum values of net radiation and latent heat flux were observed at grain-filling stage, with respective values of 327.02 W·m-2and 116.56 W·m-2. After winter wheat harvest, sensible heat flux increased rapidly, while latent heat flux rapidly decreased. Energy closures of representative observation dates selected for the four growing stages were also good. The energy closure ratios were 0.49, 0.77, 0.81 and 0.76, respectively. The energy closure ratio was high in summer and relatively low in winter. Diurnal variations in Bowen ratio during the four growing stages had an inverted U-type curve. While Bowen ratio values for daytime were relatively stable, those for nighttime were negative and relatively unstable. The Bowen ratio curves agreed well with sensible heat flux curve. Bowen ratio was positive when sensible heat flux was positive and it increased with sensible heat flux. The maximum value of Bowen ratio at seeding stage (2.12) occurred at 14:00, while the maximum values of Bowen ratio at overwintering (1.48), jointing (0.31) and grain-filling stages (0.58) all occurred at 10:00. The results of the study set the basis for research on heat and water vapor fluxes in farmland ecosystems in the North China Plain.

Winter wheat;Farmland ecosystem; Energy balance characteristics; Eddy covariance system; Energy closure ratio; North China Plain

Feb. 22, 2017; accepted Jul. 18, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170150

S161.2+1

A

1671-3990(2017)10-1413-10

2017-02-22

2017-07-18

* 國家自然科學(xué)基金項目(U1404401)、河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊支持計劃項目(161RTSTHN012)、河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計 劃(2013GGJS-030)、河南大學(xué)資源與環(huán)境研究所項目(HD-ZHS-201403)和河南大學(xué)新興交叉及特色學(xué)科培育項目(XXJC20140003)資助

* The study was funded by the National Natural Science Foundation of China (U1404401), Henan Province University Scientific and Technological Innovation Team Support Project (161RTSTHN012), the Foundation of Henan Provincial Youth Backbone Teachers (2013GGJS-030), the Project of Henan University Resource and Environment Research Institute (HD-ZHS-201403) and the New Interdisciplinary and Characteristic Subject Cultivation Project of Henan University (XXJC20140003).

** Corresponding author, E-mail: liguodonghd@163.com

**通訊作者:李國棟, 研究方向為陸面過程。E-mail: liguodonghd@163.com 吳東星, 研究方向為生態(tài)氣候?qū)W。E-mail: ecologywdx@163.com